CN109357955A - 一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置及方法，包括试样制备装置、取样装置及性能测试装置，所述试样制备包括制备仓，所述制备仓的上下两端分别设有上部盖板和底板，所述上部盖板和底板通过第一连接件进行固定连接，所述第一连接件与上部盖板可拆卸连接，上部盖板上设有注浆口，所述底板下方设有顶出机构，所述顶出机构上端伸入制备仓内部，下端固定在底座上，所述底座与底板通过第二连接件进行固定连接，本发明的实验装置可得到复合体变异区的试样，方便对其剪切性能进行研究。
Description
技术领域
本发明涉及实验设备技术领域，具体涉及一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置及方法。
背景技术
我国海洋资源与空间的开发和利用正迎来前所未有的发展机遇与挑战，滨海海洋工程构筑物建设正大规模进行，但其下覆地基常发育有较厚的软黏土层(最深可达十几米)，受沉积环境和组成成分等因素的影响，滨海软黏土具有强度弱、含水率高、渗透性低、压缩性强和稳定性差等显著特点，若不能实施有效的加固处理，将会诱发上部结构出现沉降、倾斜、甚至整体失稳破坏等严重问题，给构筑物安全造成严重威胁。针对滨海软黏土层加固，目前常用的方法包括开挖换填法、排水固结法、爆炸挤淤法和水下挤密砂桩法等，以上方法对于维护海洋工程基础稳定起到了十分重要的作用，但仍然存在预压和排水周期长、成本高等问题。
注浆作为一种有着200余年应用历史的加固方法，因其具有强度高、成本低、操作简单等优点，应用于滨海相软黏土加固存在着明显的优势。但注浆加固其实质涉及由被注软黏土和注入浆液结石体组成的复合体物理力学性能的提高，因此在注浆复合体变异区必然会存在物理力学性能的变异区。目前并没有针对此复合体变异区进行剪切性能研究的实验装置及实验方法，而且复合体变异区试样的取样过程中容易出现破碎、剥落现象，影响取样质量。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，能够形成较为规则平直的软黏土与浆液结石体的复合体变异区，方便对复合体变异区的剪切性能进行研究。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，包括试样制备装置、取样装置及性能测试装置，所述试样制备装置用于制备土样，包括制备仓，所述制备仓的上下两端分别设有上部盖板和底板，所述上部盖板和底板通过第一连接件进行固定连接，所述第一连接件与上部盖板可拆卸连接，上部盖板上设有注浆口，所述底板下方设有顶出机构，所述顶出机构上端伸入制备仓内部，下端固定在底座上，所述底座与底板通过第二连接件进行固定连接，所述取样装置用于对试样制备装置制造的土样进行取样，所述性能测试装置用于对取样装置取得的试样进行剪切性能测试。
进一步的，所述第一连接件采用多个第一钢杆，多个所述的第一钢杆均匀分布在制备仓的外周，所述第一钢杆底端与底板固定连接，顶端与上部盖板可拆卸连接。
进一步的，所述第二连接件采用多个第二钢杆，多个所述的第二钢杆均匀分布在顶出机构的外周，所述第二钢杆底端与底座固定连接，顶端与底板可拆卸连接。
进一步的，所述第一钢杆及第二钢杆交错分布，第一钢杆的轴线与第二钢杆的轴线不在同一条竖直线上。
进一步的，所述顶出机构包括固定部和顶出部，所述顶出部与传力杆的底端固定连接，所述传利杆的顶端伸入制备仓内部，并固定连接有升降板，所述升降板上设有多个水压泄口。
进一步的，所述的滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置还包括土压力监测元件及渗透压力监测元件，试样制备过程中用于置入土样中，实时采集土样的多元物理信息。
进一步的，所述性能测试装置采用全自动直剪仪。
进一步的，所述取样装置包括环刀、美工刀和手锯。
本发明还公开了使用一种滨海相软黏复合体变异区土剪切性能实验装置的方法，包括以下步骤：
步骤1：将滨海相软黏土逐层铺设置入制备仓，并进行填实，形成土样，土样制备过程中，使用易溶于水的材料制作浆液注入层，所述浆液注入层位于土样内部。
步骤2：将微型注浆管一端通过注浆口伸入制备仓内浆液注入层内部，另一端与注浆泵连接。
步骤3：启动注浆泵，外部浆液进入制备仓内并在浆液注入层内扩散，浆液压缩滨海相软黏土并实现浆体的扩大，在达到设定的浆液注入压力后，停止注浆，放置一段时间后，浆液凝结形成结石体，滨海相软黏土和浆液结石体的复合体变异区形成。
步骤4：将上部盖板拆下，利用顶出机构将土样顶出。
步骤5：顶出的土样养护一定时间后，利用手锯将土样的周边棱角削平，将环刀缓慢多步置入土样中，环刀每次置入一定深度后，利用美工刀将环刀周边及环刀上部的土样清除，再进行下一步的置入，直至形成的复合体变异区完全位于环刀内部，复合体变异区完全位于环刀内部后，利用美工刀将环刀底部的土样清除，并对复合体变异区部分的试样底部削平，完成复合体变异区部分试样的获取。
步骤6：在改变生成条件，重复步骤1-步骤5，得到不同生产条件下的多个复合体变异区试样。
步骤7：将得到的多个复合体变异区试样分别放入性能测试装置中，进行交叉测试，得到不同条件下复合体变异区试样的剪切性能参数。
进一步的，所述步骤1中，土样制备过程中，土样中置入土压力监测元件和渗透压力监测元件，用于对土样的多元物理信息进行实时采集。
本发明的有益效果：
1.本发明的试样制备装置，操作简单，可以在较短的时间内完成多次试验，有利于后续在交叉条件下复合体变异区性能的测试和分析。
2.本发明的用易溶于水材料制作浆液注入层，不影响注入浆液的理化性能，可以获得较为平直的变异区界面，而且浆液注入层可以在土样内部以不同角度设置，可以获得不同角度条件下平直的复合体变异区试样。
3.本发明的试样制备装置，上部盖板、底板及底座通过第一钢杆、第二钢杆进行连接，形成了高压力支撑体系，可以保证注浆过程在较高的压力下进行，水压泄孔可以排出制备仓内的水和空气，保证了较大的进浆量。
4.本发明在土样制备过程中，土样中置入了土压监测元件和渗压监测元件，可以实时捕捉浆液注入过程的多元物理信息，为剪切性能分析提供辅助参数。
5.本发明的复合体变异区试样的取样方法，采用简单的工具即可完成，而且避免了出现试样的破碎、剥落等不良现象。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明试样制备装置整体结构示意图；
图2为本发明试样制备装置剖开结构示意图；
图3为浆液注入层为0°时注浆后得到的土样示意图；
图4为浆液注入层为90°时，注浆后得到的土样示意图；
图5为浆液注入层为45°时，注浆后得到的土样示意图；
图6为注浆前，浆液注入层为90°时的土样示意图；
图7为复合体变异区取样方法示意图；
图8为复合体变异区试样结构示意图；
其中，1.制备仓，2.上部盖板，3.底板，4.注浆口，5.第一钢杆，6.第二钢杆，7.底座，8.液压顶进装置，9.传力杆，10.升降板，11.水压泄孔，12.开口，13.土压力监测元件，14.渗透压力监测元件，15.滨海相软黏土，16.浆液注入层，17.浆液结石体，18.复合体变异区，19.环刀，20.美工刀。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，目前并不存在对滨海相软黏土复合体变异区剪切性能进行分析的实验设备及实验方法，针对上述问题，本申请提出了一种用于测定滨海相软黏土复合体变异区剪切性能的实验装置
本申请的一种典型实施方式中，如图1-2所示，一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，包括试样制备装置、取样装置及性能检测装置，所述试样制备装置用于制备滨海相软黏土与浆液结石体的土样，所述取样装置用于对滨海相软黏土与浆液结石体共同构成土样中的复合体变异区进行取样，所述性能检测装置用于对复合体变异区的试样进行剪切性能测试。
所述试样制备装置包括制备仓1，所述制备仓位圆柱形管状结构，内部具有用于容纳土样的空间，所述制备仓的上下两端分别设有上部盖板2和底板3，所述上部盖板和底板通过第一连接件进行连接，第一连接件将上部盖板和底板压紧在制备仓的两端，形成一个高压支撑体系，所述的高压支撑体系承压能力最高可达3000kPa，可以保证注浆过程在一个较高的压力下进行，所述底板下方设有顶出机构，所述顶出机构固定在底座上，底座与底板通过第二连接件进行连接，对所述的高压支撑体系进行固定，所述顶出机构的上端伸入制备仓内部，用于将制备仓内的土样顶出制备仓。
所述上部盖板上设有注浆口4，所述注浆口用于穿过微型注浆管，利用微型注浆管向土样内部进行注浆。
所述第一连接件采用6根第一钢杆5，6根第一钢杆沿圆周均匀的布设在制备仓的外周，所述第一钢杆的底端固定在底板上，第一钢杆的顶端具有一段直径较小的螺纹轴段，所述螺纹轴段穿过上部盖板，并旋紧有固定螺母，所述固定螺母通过垫片将上部盖板压紧在制备仓的上端面及第一钢杆与螺纹轴段的连接端面上，底板及上部盖板与制备仓的接触位置处利用玻璃胶进行粘结，提高制备仓的保压能力。
所述第二连接件采用6根第二钢杆6，所述第二钢杆沿顶出机构的外周均匀布设，所述第二钢杆的底端固定在底座7上，顶端具有直径较小的螺纹轴段，所述螺纹轴段穿过底板并旋紧有固定螺母，所述固定螺母通过垫片将底板压紧在第二钢杆与螺纹轴段连接处的端面上。
所述第一钢杆及第二钢杆交错分布，即第一钢杆和第二钢杆的轴线不在同一条竖直线上，且第一钢杆与第二钢杆沿圆周均匀分布，可以实现在高压条件下整个试样制备装置具有良好的平衡性。
所述顶出机构采用液压顶进装置8，所述液压顶进装置包括固定部和顶出部，所述液压顶进装置的顶出部与传力杆9的底端固定连接，传力杆的顶端穿过底板伸入制备仓内部，所述传力杆的顶端固定有升降板10，所述升降板为圆形板，所述升降板的直径等于制备仓的内径，升降板可紧贴制备仓的内壁，在液压顶进装置的作用下，升降板可沿制备仓的内壁上下滑动，可将制备仓内部的土样顶出。
所述升降板上设有多个水压泄孔11，浆液注入时，可排除制备仓内的水和空气，保证浆液的注入量。
所述试样制备装置还包括土压力监测元件13和渗透压力监测元件14，土样制备时，可将土压力监测元件和渗透压力监测元件置入土样中，数据线连接两个监测元件的接口，并通过制备仓上的开口伸出制备仓，并与外部的计算机采集系统连接。
所述取样装置采用环刀19、美工刀20及手锯，所述环刀采用两种尺寸的环刀(φ61.8×20mm和φ61.8×40mm)。
所述性能检测装置采用全自动直剪仪，制备的复合体变异区试样可放入全自动直剪仪中进行剪切性能检测。
本发明还公开了一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：如图6所示，制备由滨海相软黏土和浆液注入层构成的土样，具体方法为：将滨海相软黏土15逐层铺设置入制备仓，并进行填实，形成土样，土样制备过程中，使用易溶于水的材料制作浆液注入层16，所述浆液注入层位于土样内部。所述浆液注入层采用食盐或者蔗糖等易溶于水的材料，浆液注入层的厚度约为1cm，滨海相软黏土铺设过程中，置入土压力监测元件和渗透压力监测元件，土压力监测元件和渗透压力监测元件应避开浆液注入层的位置，且位于土样的中上部，并将土压力监测元件和渗透压力监测元件与数据线连接，所述数据线穿过制备仓上的开口12与外部计算机系统连接，可将采集的信息传输给外部计算机系统。
步骤2：将微型注浆管一端通过注浆口伸入制备仓内的浆液注入层内部，另一端与注浆泵连接。
步骤3：如图3-5所示，启动注浆泵，外部浆液进入制备仓内并在浆液注入层内扩散，随着浆液的不断聚集，压力逐渐提升，浆液压缩土样实现浆体的扩大，在达到设定的注入压力后，注浆泵关闭，放置一段时间后，注入的浆液逐渐凝结形成浆液结石体17，复合体变异区18形成，土压力监测元件和渗透压力监测元件可以实时采集浆液注入过程中土样的多元物理信息，为分析复合体变异区的剪切性能提供辅助参数。
步骤4：将上部盖板从第一钢杆及制备仓顶端拆下，控制液压千斤顶顶进装置工作，使液压顶进装置的顶出部向上运动，将土样从制备仓中顶出。
步骤5：土样养护一天后对复合体变异区进行取样，养护时间过短会造成浆液不能完全凝固，取样松散，养护时间过长则会造成土样强度和硬脆型进一步增加，取样难度增大，如图7所示，取样的具体方法为：首先用手锯将圆柱体土样周边的棱角削平，然后将环刀缓慢多步注浆置入土样中，环刀每步置入的深度为1mm-2mm，环刀每步置入完成后，用美工刀将环刀周边的土样部分旋转式清除，并将环刀上部的土样进行清除，然后进行下一步的置入，如此循环，直至复合体变异区完全位于环刀内部，然后利用美工刀将环刀底部的土样部分清除，并将复合体变异区底部削平，完成了复合体变异区的取样工作。得到的复合体变异区试样如图8所示，为了减少环刀置入土样的难度，可在环刀内外圆周表面涂抹凡士林，减小摩擦阻力，降低碎样和剥落的概率。
采用本取样方法，可以有效得到较为平直规则的复合体变异区的试样，避免了由于土样强度和硬脆型提升而导致的复合体变异区取样过程中造成的试样破碎、剥落等不良现象。
步骤6：通过铺设不同密实度的滨海相软黏土、设置不同的设定浆液注入压力(1Mpa、2Mpa和3Mpa)、设置不同的浆液注入层铺设角度(0°、45°和90°)、设置不同材料种类和配合比例的注入浆液，采用不同规格的环刀，对不同生成条件下复合体变异区的试样进行制备。
步骤7：将得到的多个复合体变异区的试样放入全自动直剪仪中，通过交叉测试，得到不同生成条件下试样的粘聚力和内摩擦角。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，其特征在于，包括试样制备装置、取样装置及性能测试装置，所述试样制备装置用于制备土样，包括制备仓，所述制备仓的上下两端分别设有上部盖板和底板，所述上部盖板和底板通过第一连接件进行固定连接，所述第一连接件与上部盖板可拆卸连接，上部盖板上设有注浆口，所述底板下方设有顶出机构，所述顶出机构上端伸入制备仓内部，下端固定在底座上，所述底座与底板通过第二连接件进行固定连接，所述取样装置用于对试样制备装置制造的土样进行取样，所述性能测试装置用于对取样装置取得的试样进行剪切性能测试。
2.如权利要求1所述的一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，其特征在于，所述第一连接件采用多个第一钢杆，多个所述的第一钢杆均匀分布在制备仓的外周，所述第一钢杆底端与底板固定连接，顶端与上部盖板可拆卸连接。
3.如权利要求2所述的一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，其特征在于，所述第二连接件采用多个第二钢杆，多个所述的第二钢杆均匀分布在顶出机构的外周，所述第二钢杆底端与底座固定连接，顶端与底板可拆卸连接。
4.如权利要求3所述的一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，其特征在于，所述第一钢杆及第二钢杆交错分布，第一钢杆的轴线与第二钢杆的轴线不在同一条竖直线上。
5.如权利要求1所述的一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，其特征在于，所述顶出机构包括固定部和顶出部，所述顶出部与传力杆的底端固定连接，所述传利杆的顶端伸入制备仓内部，并固定连接有升降板，所述升降板上设有多个水压泄口。
6.如权利要求1所述的一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，其特征在于，所述的滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置还包括土压力监测元件及渗压监测元件，试样制备过程中用于置入土样中，实时采集土样的多元物理信息。
7.如权利要求1所述的一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，其特征在于，所述性能测试装置采用全自动直剪仪。
8.如权利要求1所述的一种滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置，其特征在于，所述取样装置包括环刀、美工刀和手锯。
9.一种权利要求1-8任一项所述的滨海相软黏土复合体变异区剪切性能实验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将滨海相软黏土逐层铺设置入制备仓，并进行填实，形成土样，土样制备过程中，使用易溶于水的材料制作浆液注入层，所述浆液注入层位于土样内部；
步骤2：将微型注浆管一端通过注浆口伸入制备仓内浆液注入层内部，另一端与注浆泵连接；
步骤3：启动注浆泵，外部浆液进入制备仓内并在浆液注入层内扩散，浆液压缩滨海相软黏土并实现浆体的扩大，在达到设定的浆液注入压力后，停止注浆，放置一段时间后，浆液凝结形成结石体，滨海相软黏土和浆液结石体构成的复合体变异区形成；
步骤4：将上部盖板拆下，利用顶出机构将土样顶出；
步骤5：顶出的土样养护一定时间后，利用手锯将土样的周边棱角削平，将环刀缓慢多步置入土样中，环刀每次置入一定深度后，利用美工刀将环刀周边及环刀上部的土样清除，再进行下一步的置入，直至形成的复合体变异区完全位于环刀内部，复合体变异区完全位于环刀内部后，利用美工刀将环刀底部的土样清除，并对复合体变异区部分的试样底部削平，完成复合体变异区部分试样的获取；
步骤6：在改变生成条件，重复步骤1-步骤5，得到不同生产条件下的多个复合体变异区试样；
步骤7：将得到的多个复合体变异区试样分别放入性能测试装置中，进行交叉测试，得到不同条件下复合体变异区试样的剪切性能参数。
10.一种权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述步骤1中，土样制备过程中，土样中置入土压力监测元件和渗透压力监测元件，用于对土样的多元物理信息进行实时采集。
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